南极冰事（34）南极臭氧空洞和高空气旋

张武昌2024年5月10日星期五

臭氧层

空气中氧气占20%。氧在大气中有三种存在形式，氧原子O,氧分子 O2, 臭氧O3。其中O2是主要的成分，臭氧在大气中属微量气体，全球大气中臭氧总量约有30亿吨，只占大气的百万分之0.4。臭氧的浓度表示除了常见的ppb、μg/m3外还有一个柱浓度。柱浓度用来表示大气臭氧总量的分布，大气中臭氧总量是指某地区单位面积上空整层大气柱中所含的臭氧总量。这个臭氧总量通常是用厚度（厘米）来表示:假设整层大气柱中所含的全部臭氧集中起来形成一个纯臭氧层，在标准状况下（即一个大气压，温度为15℃），这个纯臭氧层的厚度即为大气臭氧总量，基本单位是“大气厘米”。在臭氧层研究中多使用多布森单位（Dobson unit，简称D.U.）来表示，1DU=0.001 cm。正常大气中臭氧的柱浓度约为300 D.U.，即0.3cm，或3 mm。你没有看错，是毫米。

这三种成分在紫外线作用下进行光化学反应：紫外线把氧分子打裂形成两个氧原子，也能把臭氧打裂成氧原子和氧分子。

氧原子不稳定，与氧分子结合成臭氧，两个氧原子结合成氧分子。

上述反应在大气的不同高度表现出一定的差异，

在大气高层，紫外线将氧气分解成氧原子，由于空气过于稀薄，氧原子找不到氧分子，所以高空氧原子过剩，而氧分子和臭氧较少，氧的光化学反应不能持续，导致吸收紫外线的能力较弱。

在20-30 千米的高度，氧气浓度适中，氧的光化学反应持续进行，臭氧浓度最大。以此为核心，90％以上集中在10-50公里的高层大气之中。

低于这个高度，紫外线因为被上层大气消耗而降低，氧的光化学反应不能持续，所以臭氧浓度较低。

因此，臭氧并不是在我们生活的地表，它在大气中的分布也不均匀，在20-30 千米的高空，臭氧浓度最大，称为臭氧层ozone layer。

臭氧层在全球各地分布不均匀，世界三极地区即南极、北极和青藏高原气候寒冷，臭氧层微薄。某处臭氧层中臭氧含量的减少等于在屋顶上开了天窗，如果减少到正常值的30%（也有说50%）以上，人们形象地说这是个臭氧空洞。

大气分层（atmospheric subdivision）是指按照大气在垂直方向的各种特性将大气分成若干层次。

按大气温度随高度分布的特征，可把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层；

按大气各组成成分的混和状况，可把大气分为均匀层和非均匀层。

按大气电离状况，可分为电离层和非电离层；

按大气的光化反应，可分为臭氧层；

按大气运动受地磁场控制情况，可分有磁层。

所以，大气的光化学反应是大气的重要特性之一，在高度上属于平流层。

沿西经8度线南半球（赤道-南极-赤道）臭氧层分布2023年12月30日

南极的臭氧层高度较低

臭氧是引起气候变化的重要因子。臭氧吸收了太阳光中的大部分的紫外线并将其转换为热能从而加热大气，也能吸收9-10微米的热红外线，使大气层加热。由于臭氧的这一特性，使得地球上空15～50公里的大气层中存在着升温层（逆温层），因此，臭氧对平流层的温度结构和大气运动起决定性的作用。

南极的臭氧空洞

20世纪50年代，在南极哈雷科考站的科学家发现大气中臭氧含量降低， 1985 年，英国科学家法尔曼等人发现：1977-1984年每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，正在逐渐生成臭氧空洞。

后来确定臭氧含量的降低是由于氟利昂等一系列“破坏臭氧层物质”造成的。这些物质是人类工业生产产生的，但是他们上升到平流层后，在紫外线照射下，释放氯原子等。

氯原子是最爱干的事就是挑拨臭氧分子分解，而且效率特别高，1个氯原子能分解10万个臭氧分子，使得臭氧浓度降低，但是这一过程却不吸收紫外线。

现在科学家用卫星遥感观测臭氧空洞，研究臭氧空洞的动态变化。

问题是“破坏臭氧层物质”全球分布，为什么只在南极产生臭氧空洞呢？

为什么只有南极的臭氧空洞

这与南极地形和极寒天气造成的高空气旋有关。

地球的大气的热源主要来自太阳，但是太阳光并不能直接加热大气，而是穿过大气照射到地面和海面，当地面和海面加热后，就会通过传导、对流和辐射三种方式加热大气，所以虽然太阳光来自大气层的上层，但是加热的却是大气层的底层。

 由于是从底层加热，热空气位于冷空气下边，于是产生强烈的对流。大气的对流作用在地球的南北两个半球各生成三个对流环，被称为Hadley环流，Ferrrel 环流，和极地环流，由于热带比极地获得的热量多，所以Hadley环比极地环的高度大一些。在Hadley环的高层大气从赤道向极地运动，Ferrel环的左臂从低向高升腾的同时也向极地运动，这时科里奥利力发生作用，它们在高空形成沿地球纬度线环绕地球的很强的气流，叫做高空急流jet stream。

这两个高空急流一个叫亚热带急流，一个叫极地急流 polar jet，因其环状而成为极地涡旋vortex。由于地球是个球体，在高纬度的科里奥利力比低纬度强，所以极地急流比亚热带急流强。

南极的极地急流叫南极急流，北极的则为北极急流。极地急流将极地的大气和周围大气隔离开来，因此极地的温度很低。

当平流层的温度低于零下78度后，就会出现平流层云，polar stratospheric clouds，这个云层中的冰晶使得氟利昂释放更多的氯原子，加快了消耗臭氧的反应，这时会出现臭氧空洞。

当急流强时，呈现较好的环形，对极地大气的隔离效果较好，容易产生低温；反之，急流弱时则会出现波动，对极地大气的隔离较弱，不易产生低温。所以急流强时容易产生低温，进而产生臭氧空洞。

在北极有大陆和山脉，北极急流经常会受到扰动和减弱，所以大部分时间是较弱的。因此在北极产生臭氧空洞的时间较少或很少，参见“变化中的北极（57）退则炸弹气旋，进则臭氧空洞，进退两难的北极急流”。

北极臭氧空洞

在南极，极地旋涡围绕南极大陆，周围是环形的南大洋，所以极地旋涡受到的干扰很小，保持很强的姿态，所以南极出现臭氧空洞。

南极臭氧空洞的季节性

臭氧空洞并不是时刻都存在，而是有季节性。9月10月11月最强。

这种季节性是怎么产生的呢？

南极臭氧空洞的产生有三个条件：

1， 平流层中有破坏臭氧层物质，这在全球都是均匀的，或者差别不大；

2， 平流层中有紫外线；

3， 平流层中有低温，这在南极有优势。

平流层中的氟利昂气体在全球都是均匀的，或者差别不大；由于南极有极昼极夜现象，所以平流层的紫外线和温度有季节变化，这是造成南极臭氧空洞季节变化的原因。

9月，南极的冬季刚刚结束，气温处于全年最低，极地涡旋的势力最强，南极平流层的温度最低，这时极昼逐渐到来，紫外线逐渐进场，三个条件到齐，臭氧开始消耗，这时臭氧空洞最为显著。随着气温升高，南极涡旋势力减弱，加之氟利氧的消耗，对臭氧的消耗逐渐减弱，加之与周边的交换，臭氧空洞减弱。所以周年之中，10月的臭氧空洞最强。

我国的南极考察一般为12月进场，2月撤离，正好避开了南极紫外线最强的时段。

40千米高空的逆时针气旋

南极涡旋之内是南极的高压区，空气在此下沉，在漩涡的中心，高空冷空气一直降落的南极高原上的雪原上，形成了冷极和干极，然后向北返回。

在南极漩涡的边缘，高层大气下沉时受此南极漩涡阻挡，在南极漩涡的上方（高度约40 千米）向北返回。

这些低空和高空向北返回的气流，在柯氏力（南半球左手定则）的作用下形成了逆时针旋转的气旋，低空大气在南极大陆边缘形成了下降风，吹动海水在海里形成了南极陆坡流。高空大气也形成逆时针的气旋，这是南极高空大气的独特之处。

1988年，麦克默多站的科学家利用高空气旋的这一特性，将高空气球释放到这一高度，气球会随着气旋返回麦克默多站附近，环绕一周大约14-30天。虽然会向北偏移，但是由于该站的西北方有陆地，气球还会停留在陆地之上，这时只要将气球引爆，就可以回收气球上的载荷。这一操作的目的是在南极上空大气层的边缘长期滞空进行宇宙射线的观测和反物质探测。

共有约50次高空气球飞行，飞行轨迹如下。

臭氧空洞的未来

臭氧空洞的三个条件（极地涡旋、紫外线照射和破坏臭氧层物质）中，前两个是人类无法改变的。为了消灭臭氧空洞，人类只有停止排放破坏臭氧层物质。为此目的，人类签订了蒙特利尔议定书，1989年1月1日起生效。

此后，臭氧空洞依旧在变大，到2005-2010年间达到最大。2018年开始变小。观测（下图中左图）和模拟的不限制排放破坏臭氧层物质的情形（右图）下对比，禁止排放是有效果的。

2020年以后，臭氧空洞会越来越小，估计在2060年前后恢复到1970年的状态。